(57)【要約】【課題】励起光源から希土類添加ファイバへ励起光を導入する励起光導入部において、この励起光導入部の一部が焼損しても発振が止まることのない光ファイバレーザを提供する。【解決手段】希土類イオン添加ファイバ１１の両端面にはそれぞれ、共振器ミラー１２、１３が配置され、また、励起ＬＤモジュール１４からは４本のガイドファイバ１５が延出され、これらのガイドファイバ１５はそれぞれ、希土類イオン添加ファイバ１１の側面の異なる箇所に接続されてなる光ファイバレーザにおいて、励起ＬＤモジュール１４から出射されたレーザ光を、４本のガイドファイバ１５を介して、希土類イオン添加ファイバ１１の側面の異なる４箇所から、その内部に導入する。【選択図】        図１
2005019540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素のイオンが添加されたガラスからなるコア、該コアの周囲に設けられ、励起光を伝搬する第一クラッド、および、該第一クラッドの周囲に設けられた第二クラッドとを有する希土類イオン添加ファイバと、該希土類イオン添加ファイバに励起光を入射する励起レーザダイオードモジュールとを少なくとも備えた光ファイバレーザにおいて、
前記励起レーザダイオードモジュールから出射された励起光が前記第一クラッド内に入射するように、前記希土類イオン添加ファイバと前記励起レーザダイオードモジュールとが少なくとも２本のガイドファイバを介して接続されていることを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記ガイドファイバの一方の端面が、前記希土類イオン添加ファイバの側面と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項３】
前記ガイドファイバの一方の端面が、前記希土類イオン添加ファイバの端面と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項４】
前記ガイドファイバの一方の端面が、前記希土類イオン添加ファイバの端面における第一クラッド部に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバレーザ。
【請求項５】
前記希土類元素のイオンはエルビウムイオンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）などの希土類元素が添加された石英ガラスやフッ化物ガラスをホストガラスとした光ファイバ（以下、「希土類添加ファイバ」と称する。）を、レーザ発振媒質とした光ファイバレーザや光ファイバ増幅器が盛んに研究されている。
【０００３】
光ファイバレーザは、高効率で装置を小型化でき、レーザ発振媒質と伝搬媒質を同じにできるという特徴を有している。この特徴を生かして、光ファイバレーザは、光通信、光センサ、材料加工、医療などの非常に幅広い産業分野において利用されている。特に、光通信や材料加工の分野では、より高出力なレーザの開発が望まれている。
【０００４】
光ファイバレーザでは、高出力化を実現するためには、レーザ活性媒質（希土類イオン）の添加されている領域（通常はコア）に、如何に多くの励起光を導入できるかが課題となる。
【０００５】
通常行なわれているような希土類添加ファイバの端面から励起光を導入する方式の光ファイバレーザでは、レーザ活性媒質の添加領域、すなわち、コアの外径は１０μｍ程度以下である。そのため、このコアに効率良く励起光を導入するのは極めて困難である。また、希土類添加ファイバにおいて、励起光が入射される端面に塵埃などが付着していたりすると、この端面を焼損してしまうことがある。
【０００６】
そこで、コア内に効率良く励起光を導入する方法としては、レーザ媒質として、第一クラッドと第二クラッドとからなるクラッドを有するダブルクラッド型ファイバを用いて、このダブルクラッド型ファイバの端面または側面から励起光を導入する方法が提案されている。
【０００７】
ダブルクラッド型ファイバの端面から励起光を導入する方法では、例えば、図５に示すような光ファイバレーザが構成される。
この光ファイバレーザにおいて、励起レーザダイオードモジュール（以下、「励起ＬＤモジュール」と略すこともある。）１０１から出射された励起光は、集光レンズ１０２、１０３によって集光され、共振器ミラー１０４を介して、一方の端面からダブルクラッド型の希土類添加ファイバ１０５に導入されて、その内部で発振する。そして、発振した励起光は、希土類添加ファイバ１０５の他方の端面から出射され、共振器ミラー１０６を介して、レーザ光として外部に出力される。
【０００８】
希土類添加ファイバ１０５は、第一クラッドの断面積がダブルクラッド型ファイバでない光ファイバのコアに比べて大きいので、より多くの励起光をファイバ内に導入することができるため、光ファイバレーザを高出力化することができる。
【０００９】
ダブルクラッド型ファイバの側面から励起光を導入する方法としては、例えば、複数の光ファイバが収束され、光学媒質により一体化された構造体の周辺から、この構造体に励起光を照射することにより、光ファイバの端面からレーザ光を出力させる光ファイバレーザが構成される（例えば、特許文献１参照。）。
このような光ファイバレーザによれば、複数の光ファイバの側面からその内部に励起光を導入するので、励起光の導入される面積が格段に大きくなる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１９００９７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダブルクラッド型ファイバの端面から励起光を導入する方法では、依然として希土類添加ファイバの端面に高強度の励起光が集光されるため、ダブルクラッド型ファイバへ励起光を導入する励起光導入部が焼損するおそれがある。この励起光導入部が焼損すると、希土類添加ファイバ内に励起光が導入されなくなり、希土類添加ファイバ内における励起光の発振が止まってしまい、レーザ光が出力されなくなるという問題がある。
【００１２】
一方、ダブルクラッド型ファイバの側面から励起光を導入する方法では、励起光が複数の光ファイバを横切るように伝搬していくので、光ファイバ同士の隙間において、励起光の伝搬減衰や散乱損失が生じる。
【００１３】
このような伝搬減衰や散乱損失を防止するためには、光ファイバを有機系の接着剤に埋め込んだりすることがなされるが、有機系の接着剤は耐光パワー性が低い。高出力のレーザ光を得るために、励起光の強度を高くすると、有機系の接着剤は変性して透明性が損なわれ、さらには、機械的強度が低下するため、レーザ光の出力パワーが極端に低下することがある。また、複数の光ファイバが収束されてなる構造体全体が焼損してしまい、レーザ光が出力されなくなることもある。
【００１４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、励起光源から希土類添加ファイバへ励起光を導入する励起光導入部において、この励起光導入部の一部が焼損しても発振が止まることのない光ファイバレーザを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、希土類元素のイオンが添加されたガラスからなるコア、該コアの周囲に設けられ、励起光を伝搬する第一クラッド、および、該第一クラッドの周囲に設けられた第二クラッドとを有する希土類イオン添加ファイバと、該希土類イオン添加ファイバに励起光を入射する励起レーザダイオードモジュールとを少なくとも備えた光ファイバレーザにおいて、前記励起レーザダイオードモジュールから出射された励起光が前記第一クラッド内に入射するように、前記希土類イオン添加ファイバと前記励起レーザダイオードモジュールとが少なくとも２本のガイドファイバを介して接続されている光ファイバレーザを提供する。
【００１６】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記ガイドファイバの一方の端面が、前記希土類イオン添加ファイバの側面と接続されていることが好ましい。
【００１７】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記ガイドファイバの一方の端面が、前記希土類イオン添加ファイバの端面と接続されていることが好ましい。
【００１８】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記ガイドファイバの一方の端面が、前記希土類イオン添加ファイバの端面における第一クラッド部に接続されていることが好ましい。
【００１９】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記希土類元素のイオンはエルビウムイオンであることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光ファイバレーザの第一の実施形態を示す模式図である。
図１中、符号１１は希土類イオン添加ファイバ、１２、１３は共振器ミラー、１４は励起ＬＤモジュール、１５はガイドファイバを示している。
この実施形態の光ファイバレーザにおいて、希土類イオン添加ファイバ１１の両端面にはそれぞれ、共振器ミラー１２、１３が配置されており、また、励起ＬＤモジュール１４からは４本のガイドファイバ１５が延出され、これらのガイドファイバ１５はそれぞれ、希土類イオン添加ファイバ１１の側面の異なる箇所に、所定の間隔をおいて接続されている。以下、希土類イオン添加ファイバ１１とガイドファイバ１５との接続部を、励起光導入部１７と言う。この励起光導入部１７において、励起光がガイドファイバ１５から希土類イオン添加ファイバ１１へ導入される。
【００２１】
図２は、この実施形態の光ファイバレーザにおける励起光導入部を示す概略断面図である。
この励起光導入部１７では、希土類イオン添加ファイバ１１の長手方向に沿って、第二クラッド１１ｃおよび緩衝層１１ｄが除去され、第一クラッド１１ｂの一部が露出されて、露出部１１ｅが設けられている。この露出部１１ｅの一部が平面研磨されて、平坦面１１ｆが形成されている。一方、ガイドファイバ１５の先端部の緩衝層１５ｂが除去されて、この先端部が斜め研磨されて平坦面１５ｃが形成されている。そして、ガイドファイバ１５の平坦面１５ｃが屈折率整合剤からなる接着剤を介して、第一クラッド１１ｂの平坦面１１ｆに接続されている。
【００２２】
また、図１に示すように、複数の励起光導入部１７が、希土類イオン添加ファイバ１１の側面の異なる箇所に、所定の間隔をおいて設けられている。励起光導入部１７を設ける間隔は、希土類イオン添加ファイバ１１に入射された励起光が３ｄＢ以上吸収される長さであることが好ましく、６ｄＢ以上吸収される長さがより好ましく、１０ｄＢ以上吸収される長さが最も好ましい。
【００２３】
励起光導入部１７の間隔が短過ぎると、例えば図１において、第一の励起光導入部１７ａで入射された励起光が、第一の励起光導入部１７ａよりもレーザ光の出力方向の後段に設けられた第二の励起光導入部１７ｂから漏れてしまうため、励起効率が低下する。
【００２４】
希土類イオン添加ファイバ１１は、図２に示すように、コア１１ａと、コア１１ａの周囲に設けられ、励起光を伝搬する第一クラッド１１ｂと、第一クラッド１１ｂの周囲に設けられた第二クラッド１１ｃと、第二クラッド１１ｃの周囲に設けられた緩衝層１１ｄとからなる光ファイバである。なお、緩衝層１１ｄは、設けられていなくてもよい。
希土類イオン添加ファイバ１１としては、例えばコア１１ａの直径が３０μｍ、第一クラッド１１ｂの直径が３００μｍ、第二クラッド１１ｃの直径が３４０μｍのものが用いられる。
【００２５】
コア１１ａは、希土類元素のイオンが添加されたフッ化物ガラスまたは石英ガラスで形成されている。
希土類元素のイオンとしては、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジウム（Ｎｄ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、エルビウム（Ｅｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）などが挙げられる
また、希土類元素のイオンの添加量は、通常、１０００ｐｐｍ〜５００００ｐｐｍ（モル比）である。
具体的には、コア１１ａは、エルビウムが２００００ｐｐｍ添加されたフッ化物ガラスで形成されている。
【００２６】
第一クラッド１１ｂは、コア１１ａと同様のフッ化物ガラスで形成されている。
第二クラッド１１ｃは、第一クラッド１１ｂよりも僅かに屈折率の低いプラスチックで形成されている。
例えば、第一クラッド１１ｂの屈折率を１．５１、第二クラッド１１ｃの屈折率を１．４２とする。
【００２７】
共振器ミラー１２、１３は、酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる薄膜と、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる薄膜とが交互に積層されてなる誘電体多層膜ミラーであり、所定の波長の光を、所定の割合で反射する性質を有するものである。共振器ミラー１２としては、例えば、希土類イオン添加ファイバ１１と接続している側の面において、波長２．７μｍの光を１００％反射するものが用いられる。共振器ミラー１３としては、例えば、希土類イオン添加ファイバ１１と接続している側の面において、波長２．７μｍの光を１０％反射するものが用いられる。
【００２８】
励起ＬＤモジュール１４は光ファイバレーザの励起光源であり、例えば波長９８２ｎｍの励起光を出力し、励起光を外部に導くためのガイドファイバが８本備えられているものが用いられる。
【００２９】
ガイドファイバ１５は、図２に示すように、中心に設けられた石英系ガラスからなるコアと、その周囲に設けられたプラスチックからなるクラッドとから構成されるプラスチッククラッドファイバ１５ａと、緩衝層１５ｂとからなる光ファイバである。
ガイドファイバ１５としては、例えばコアの直径が８０μｍ、クラッドの直径が１００μｍのものが用いられる。
【００３０】
この実施形態の光ファイバレーザでは、励起ＬＤモジュール１４から出力された励起光が、４本のガイドファイバ１５を介して、希土類イオン添加ファイバ１１の側面に所定の間隔をおいて設けられた４つの励起光導入部１７から、その内部に導入される。したがって、何れかの励起光導入部１７が塵埃の付着などにより焼損しても、他の励起光導入部１７が焼損せずに希土類イオン添加ファイバ１１とガイドファイバ１５との接続が確保されていれば、希土類添加ファイバ１１内における励起光の発振が止まることなく、この光ファイバレーザから長期間、レーザ光を出力することができる。
【００３１】
また、万一、何れか１箇所の励起光導入部１７が焼損したとしても、レーザ光の出力の低下は２５％程度である。ガイドファイバ１５の本数を増やせば、出力の低下をさらに抑えることができる。
【００３２】
なお、この実施形態の光ファイバレーザでは、ガイドファイバ１５が４本用いられているが、本発明の光ファイバレーザはこれに限定されず、ガイドファイバが２本以上用いられていればよい。
【００３３】
図３は、本発明の光ファイバレーザの第二の実施形態を示す模式図である。
図３中、符号２１は希土類イオン添加ファイバ、２２、２３は共振器ミラー、２４は励起ＬＤモジュール、２５はガイドファイバ、２６はレーザ光出力ファイバを示している。
この実施形態の光ファイバレーザにおいて、希土類イオン添加ファイバ２１の両端面にはそれぞれ、共振器ミラー２２、２３が配置されており、また、励起ＬＤモジュール２４からは８本のガイドファイバ２５が延出され、共振器ミラー２２、２３の希土類イオン添加ファイバ２１と接続していない側の表面にはそれぞれ、４本のガイドファイバ２５が独立に（収束されずに）接続されている。以下、希土類イオン添加ファイバ２１とガイドファイバ２５との接続部を、励起光導入部２７と言う。この励起光導入部２７において、励起光がガイドファイバ２５から希土類イオン添加ファイバ２１へ導入される。また、共振器ミラー２３の希土類イオン添加ファイバ２１と接続していない側の表面には、レーザ光出力ファイバ２６が接続されている。
【００３４】
図４は、この実施形態の光ファイバレーザにおける励起光導入部を示す概略断面図である。
図４に示すように、この励起光導入部２７では、希土類イオン添加ファイバ２１の端面２１ｅに共振器ミラー２２（２３）が接合され、この共振器ミラー２２（２３）の端面２１ｅと接合されていない側の表面における第一クラッド２１ｂに相当する部分に、４本のガイドファイバ２５の一方の端面が接続されている。
これにより、希土類イオン添加ファイバ２１の端面２１ｅにおいて、コア２１ａには励起光が入射されず、第一クラッド２１ｂのみに励起光が入射されるようになっている。
【００３５】
もし、コア２１ａに励起光を入射すると、コア２１ａに添加された希土類イオンによる励起光の吸収は希土類イオン添加ファイバ２１の端面２１ｅに集中する。吸収された励起光は非放射緩和によって熱に変換されるため、端面２１ｅの温度が上昇し焼損する可能性が高くなる。また、この場合、コア２１ａが燃えるので、共振器ミラー２２、２３もその機能を果たせなくなり、レーザ光の出力が止まってしまう。
一方、第一クラッド２１ｂのみに励起光を入射すれば、励起光の吸収が希土類イオン添加ファイバ２１の長手方向に分散されるため、温度上昇を抑えることができる。
【００３６】
例えば、エルビウムイオン添加ファイバでは、コアだけに励起光を入射した場合、波長９８２ｎｍの励起光の吸収量は１１０ｄＢ／ｍであり、入射端面から３ｃｍの間に励起光は約半分がエルビウムに吸収されてしまう。
一方、クラッドのみに励起光を入射した場合、波長９８２ｎｍの励起光の吸収量は１ｄＢ／ｍとなる。つまり、励起光の単位長さ当たりの吸収量がコアに励起光を入射した場合の１００分の１になり、励起光の吸収による温度上昇を抑えることができる。万一、エルビウムイオン添加ファイバとガイドファイバとの接続部が焼損しても、コアや共振器ミラーにダメージが及ばないため、レーザ光の出力は低下するものの、出力が止まることはない。
【００３７】
希土類イオン添加ファイバ２１、共振器ミラー２２、２３、励起ＬＤモジュール２４、ガイドファイバ２５は、上記第一の実施形態で用いられているものと同様のものが用いられる。
【００３８】
この実施形態の光ファイバレーザでは、励起ＬＤモジュール２４から出射された励起光が、８本のガイドファイバ２５および共振器ミラー２２、２３を介して、希土類イオン添加ファイバ２１の両端面から、その内部に導入される。そして、それぞれのガイドファイバ２５から導入された励起光は、希土類イオン添加ファイバ２１内で結合して、高出力のレーザ光としてレーザ高出力ファイバ２６から外部に出力される。
【００３９】
この実施形態の光ファイバレーザでは、４本のガイドファイバ２５がそれぞれ独立に（互いに干渉することなく）共振器ミラー２２、２３に接続されているから、励起光の出力が８分割されて、共振器ミラー２２、２３のそれぞれにおける異なる４箇所から、希土類イオン添加ファイバ２１の内部に導入される。そのため、ガイドファイバ２５と共振器ミラー２２、２３との接続部（励起光導入部２７）のうち何れか１箇所が焼損しても、他の励起光導入部２７が焼損せずに希土類イオン添加ファイバ２１とガイドファイバ２５との接続が確保されていれば、希土類イオン添加ファイバ２１内における励起光の発振が止まることなく、この光ファイバレーザから長期間、レーザ光を出力することできる。
また、万一、励起光導入部２７のうち何れか１箇所が焼損しても、他のガイドファイバ２５に影響を及ぼさないので、レーザ光の出力の低下を抑えることができる。
【００４０】
なお、この実施形態の光ファイバレーザでは、ガイドファイバ２５が８本用いられているが、本発明の光ファイバレーザはこれに限定されず、ガイドファイバが２本以上用いられていればよい。また、希土類イオン添加ファイバ２１への励起光の導入は、このファイバの両端面からなされることが好ましいが、本発明の光ファイバレーザはこれに限定されず、一方の端面から励起光を導入してもよい。
【００４１】
また、本発明の光ファイバレーザにあっては、希土類イオン添加ファイバとして、裸線ファイバ、光ファイバ素線、光ファイバ心線を用いることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光ファイバレーザは、励起ＬＤモジュールから希土類イオン添加ファイバへの励起光導入部を複数箇所設けることにより、励起光導入部のうちの１箇所が塵埃の付着などにより焼損しても、他の励起光導入部が焼損することがなければ、希土類イオン添加ファイバにおける励起光の発振が止まることなく、光ファイバレーザから長期間、レーザ光を出力することができる。
また、万一、何れか１箇所の励起光導入部が焼損したとしても、その他の励起光導入部には影響が及ばないため、レーザ光の出力の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバレーザの第一の実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明の光ファイバレーザの第一の実施形態における励起光導入部を示す概略断面図である。
【図３】本発明の光ファイバレーザの第二の実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明の光ファイバレーザの第二の実施形態における励起光導入部を示す概略断面図である。
【図５】従来の光ファイバレーザを示す模式図である。
【符号の説明】
１１，２１・・・希土類イオン添加ファイバ、１１ａ，２１ａ・・・コア、１１ｂ，２１ｂ・・・第一クラッド、１１ｃ，２１ｃ・・・第二クラッド、１２，１３，２２，２３・・・共振器ミラー、１４，２４・・・励起ＬＤモジュール、１５，２５・・・ガイドファイバ、１７，２７・・・励起光導入部、２６・・・レーザ光出力ファイバ。
【図１】
2005019540.tif 000003
【図２】
2005019540.tif 000004
【図３】
2005019540.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005019540.tif 000007